Albicidín zameraný na baktérie Klebsiella pneumoniae
Odolné baktérie Klebsiella pneumoniae môžu zachytávať a inaktivovať antibiotikum albicidín pomocou proteínu AlbA.
Konvenčné antibiotiká čoraz viac strácajú účinnosť proti čoraz bežnejším multirezistentným zárodkom. Mnoho baktérií má prirodzene získané mechanizmy, ktoré ich chránia pred škodlivými látkami. To je prípad aj účinnej látky albicidín: nebezpečné gramnegatívne baktérie obsahujú bielkovinu, ktorá sa na albicidín viaže a tým ho deaktivuje.
Vedci z Helmholtzovho centra pre výskum infekcií (HZI) a združeného Helmholtzovho ústavu pre farmaceutický výskum v Sársku (HIPS) teraz skúmali tento mechanizmus rezistencie s atómovým rozlíšením. Zistili, že proteín nielen viaže účinnú látku, ale ju aj chemicky mení. Zároveň zvyšuje vlastnú produkciu tak, aby sa albicidín stal ešte účinnejším neškodným. Vedci zverejnili svoje výsledky v časopise Journal of the American Chemical Society.
Molekula proteínu AlbA sa viaže na antibiotikum albicidín a chráni baktérie pred jeho účinkami
Patogénne baktérie si vyvinuli rôzne mechanizmy na svoju ochranu pred antibiotikami. Niektoré jednoducho vylučujú látky, ktoré sú pre ne toxické, iné menia svoju bunkovú stenu tak, že do nich nemôžu preniknúť ani antibiotiká. Niektoré choroboplodné zárodky menia cieľovú štruktúru napadnutú antibiotikami - alebo jednoducho priamo antibiotikum. Napríklad baktérie rodu Klebsiella používajú iný trik: Majú proteínovú molekulu nazývanú AlbA, ktorá sa viaže na antibiotikum albicidín a chráni tak patogény pred jeho účinkami. Základný obranný mechanizmus majú vedci z Helmholtzovho centra pre výskum infekcie (HZI), Helmholtzovho ústavu pre farmaceutický výskum Sársko (HIPS) - zariadenia HZI v spolupráci s Univerzitou v Sársku (UdS) - a Nemeckého centra pre výskum infekcií (DZIF). ) preskúmané.
Klebsiella pneumoniae je jedným z najbežnejších patogénov spôsobujúcich bakteriálnu sepsu a zápal pľúc získaný v nemocnici. Okrem toho môže spôsobiť napríklad aj infekcie močových ciest. Klebsie sú gramnegatívne baktérie, ktoré sa ťažko liečia a často si u nich vytvára rezistenciu na niekoľko antibiotík. Vedci z HZI už objavili novú, vysoko účinnú triedu účinných látok proti gramnegatívnym zárodkom: cystobaktamidy. „Táto trieda látok je podobná albicidínu, na ktorý už mnohé kmene Klebsiella vykazujú rezistenciu,“ hovorí juniorský profesor Jesko Köhnke, ktorý vedie juniorskú výskumnú skupinu „Structural Biology of Biosynthetic Enzymes“ na HIPS. „Chceli sme vedieť, či je proteín AlbA účinný aj proti cystobaktamidom, preto sme analyzovali mechanizmus rezistencie na albicidín na molekulárnej úrovni.“
AlbA dokonca chemicky mení viazaný albicidín
Za týmto účelom sa okolo Jeska Köhnkeho zišiel interdisciplinárny tím vedcov, v ktorom syntézu uskutočnilo oddelenie prof. Marka Brönstrupa, pracovná skupina prof. Olgy Kalininy bioinformatiku a oddelenie prof. Rolfa Müllera vykonalo testy aktivity a profily génovej expresie. Najskôr sa trojrozmerná štruktúra proteínu AlbA s naviazaným albicidínom dešifrovala pomocou röntgenovej štruktúrnej analýzy. Vedci si všimli, že v priebehu evolúcie sa z malého väzbového vrecka pre antibiotikum stal dlhý tunel, do ktorého je možné presne nasadiť albicidín.
Štrukturálna analýza priniesla aj ďalší úžasný výsledok: naviazaný albicidín bol chemicky zmenený. "Pôvodne sme predpokladali, že AlbA jednoducho absorbuje albicidín - ako špongia absorbuje vodu - a tým ho dočasne odstráni." Teraz sme však zistili, že dokonca mení albicidín, “hovorí Köhnke. Ďalšie experimenty ukázali, že modifikovaný albicidín má slabšiu aktivitu, to znamená, že je pre baktérie menej škodlivý.
AlbA viaže cystobaktamid oveľa slabšie
Vedci zistili, že okrem väzbového miesta pre antibiotikum má AlbA aj jedno pre DNA. Vďaka tejto sekcii sa môže viazať na genetický materiál bakteriálnej bunky - presne tam, kde je kontrolovaná produkcia AlbA. V laboratórnych experimentoch s Klebsiella pneumoniae dokázal tím Jeska Köhnkeho dokázať, že keď sa podával albicidín, gén s modulárnym vzorcom pre AlbA sa čítal 3000 krát častejšie po štyroch hodinách ako bez antibiotík. "Mechanizmus Klebsielly proti albicidínu je mimoriadne efektívny: Ak s ním prídete do kontaktu, zachytíte prvé molekuly účinnej látky s ich proteínom AlbA." Zároveň vyrábajú čoraz viac AlbA. Ukázali sme tiež, že tieto mechanizmy ešte nie sú dostatočné na odolnosť, ktorú teraz chceme bližšie preskúmať, “hovorí Köhnke.
Porovnávacie experimenty ukázali, že príbuzná účinná látka, cystobaktamid, je oveľa menej silne viazaná pomocou AlbA. Cystobaktamid navyše nepodporuje produkciu AlbA, takže Klebsiella pomocou tohto mechanizmu ešte nedokázala dosiahnuť rezistenciu na cystobaktamid. "Napriek tomu sú baktérie rezistentné na cystobaktamid." Preto by sme chceli čo najpresnejšie objasniť mechanizmy, aby sme potom mohli vyvíjať účinné látky, ktoré rezistenciu obchádzajú, “hovorí Köhnke.
Asfandyar Sikandar, Katarina Cirnski, Giambattista Testolin, Carsten Volz, Mark Brönstrup, Olga V. Kalinina, Rolf Müller a Jesko Koehnke. Prispôsobenie systému rezistencie na bakteriálne látky proti viacerým liekom odhalené štruktúrou a funkciou AlbA. J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08895